基于二维自准直仪和坐标系旋转变换矩阵,提出一种高精度、高稳定性三维姿态角(偏摆角、俯仰角和滚转角)测量方法,并设计了一种三维测角装置。介绍了该装置的工作原理和结构组成。建立了三维测角模型,根据自准直测角原理和坐标旋转矩阵推导了理论算法。基于测量要求设计了光学系统,采用现场可编程门阵列(FPGA)单芯片实现了实时双CMOS图像传感器的驱动成像、像点识别与细分定位、三维转角计算及与USB的快速通信。提出了三维测角装置的标定方法,保证了实际设备参数与理论设计数据的统一。最后对提出的滚转角测量算法进行了实验验证,并分析了影响测角精度的因素及其影响程度。标定和试验结果表明:在±20′的视场范围内,三维测角装置的偏摆角、俯仰角和滚转角的测量精度分别达到了2.2″,2.5″和8.7″。该结果验证了设计的装置结构简单、稳定可靠、精度高,且易工程实现三维姿态角的测量。